Naukowcy od kilkudziesięciu lat śledzą przy pomocy teleskopów Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) gwiazdy krążące wokół centralnej czarnej dziury w Drodze Mlecznej, galaktyce w której znajduje się Układ Słoneczny. Ta supermasywna czarna dziura nosi nazwę Sagittarius A* i ma masę około 4 milionów razy większą niż Słońce.

Teraz udało się odkryć gwiazdę S301, która krąży wokół centralnej czarnej dziury po bardzo ciasnej orbicie. Na jeden obieg dookoła potrzebuje 8,7 roku. To zdecydowanie mniej niż okres orbitalny Jowisza wokół Słońca, wynoszący niecałe 12 lat.

Gwiazda S301 zbliża się do czarnej dziury na odległość 12 razy taką jak dystans Ziemia-Słońce (czyli nieco dalej niż orbita Saturna wokół Słońca). Wtedy leci z prędkością około 25 tysięcy kilometrów na sekundę. To stanowi 8 proc. prędkości światła. Gdybyśmy porównali natomiast do prędkości samolotu pasażerskiego, gwiazd porusza się 100 tysięcy razy szybciej. Tym samym gwiazda S301 jest rekordzistką, najszybszą znaną gwiazdą w całej Drodze Mlecznej.

Orbita gwiazdy przebiegająca tak blisko supermasywnej czarnej dziury to nie lada gratka dla astronomów na badanie efektów, jakie występują w tym tajemniczym obiekcie. Według przewidywań Sagittarius A* obraca się, podobnie jak większość obiektów we Wszechświecie. A zgodnie z ogólną teorią względności Alberta Einsteina obracająca się czarna dziura ciągnie za sobą czasoprzestrzeń i ją skręca. Powinno to wpływać na orbity pobliskich gwiazd. Im bliżej czarnej dziury, tym efekt jest silniej odczuwalny przez gwiazdę.

Felix Mang doktorant w Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) w Garching (instytut mieści się niedaleko siedziby Europejskiego Obserwatorium Południowego) jest współautorem badań. Wyraża nadzieję, że w dzięki tej gwieździe w ciągu 10 lat uda się zmierzyć rotację czarnej dziury (jej spin). Jeśli to się uda, naukowcy po raz pierwszy dokładnie zmierzą ten parametr.

Bez tej gwiazdy musielibyśmy mierzyć ruch innych gwiazd przez kilkadziesiąt kolejnych lat, aby zbliżyć się do pomiaru spinu czarnej dziury – wskazuje Juan Osorno, astronom z LIRA Observatoire de Paris–PSL we Francji, również biorący udział w badaniach.

Odnalezienie gwiazdy S301 nie było łatwe. Gwiazda jest dwa miliardy razy słabsza niż Betelgeza z konstelacji Oriona. Użyto Interferometru Bardzo Dużego Teleskopu (VLTI) w Obserwatorium Paranal w Chile, które należy do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO). VLTI łączy moc czterech ośmiometrowych teleskopów VLT, aby tworzyć wirtualny teleskop o rozdzielczości 15 razy lepszej niż ma pojedynczy teleskop VLT. Instrumentem działającym z teleskopem był GRAVITY, po modernizacjach znany jako GRAVITY+.

Gwiazdę udało się dostrzec w 2023 roku. Potem śledzono ją w celu określenia orbity. Naukowcy przejrzeli archiwa obserwacji i wyłuskali z nich historię orbitalną S301 wstecz do 2017 roku. Najbardziej zbliżyła się do czarnej dziury na początku 2023 roku.

Właściwości orbitalne S301 oraz fakt, że gwiazda ta nie mogła powstać tak blisko supermasywnej czarnej dziury, wskazują że prawdopodobnie była częścią układu podwójnego, który został rozerwany przez siły pływowe Sagittarius A*. W tym procesie S301 została uwięziona przez grawitację czarnej dziury, a towarzysząca jej gwiazda została wyrzucona z dużą prędkością, najprawdopodobniej wystarczającą do całkowitego opuszczenia galaktyki.

Astronomowie mają nadzieję na dalsze obserwacje przy pomocy GRAQVITY+, a w przyszłości także za pomocą instrumentu MICADO na budowanym obecnie przez ESO czterdziestometrowym Ekstremalnie Wielkim Teleskopie (ELT). Szczególnie cenne będą obserwacje z ponownego zbliżenia do czarnej dziury w 2031 roku.

Wyniki badań opublikowano w „Nature”. Polska jest członkiem Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) oraz bierze udział w budowie teleskopu ELT.(PAP)

cza/ bar/